具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，包括直流穩(wěn)壓模塊、遲滯補(bǔ)償模塊、功率放大模塊和位移檢測(cè)模塊，直流穩(wěn)壓模塊分別為功率放大模塊和遲滯補(bǔ)償模塊提供直流電壓；所述遲滯補(bǔ)償模塊用于補(bǔ)償壓電陶瓷的遲滯非線性，遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端和輸出端之間設(shè)置有切換開關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮问褂没蚋鼡Q不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)切換開關(guān)閉合，遲滯補(bǔ)償模塊被短路；所述功率放大模塊對(duì)遲滯補(bǔ)償模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大；所述位移檢測(cè)模塊僅在第一次測(cè)量或更換不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)啟用，用于測(cè)量響應(yīng)位移并保存到遲滯補(bǔ)償模塊。本發(fā)明引入了遲滯補(bǔ)償模塊，能大大減小遲滯現(xiàn)象對(duì)控制精度的影響，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】
具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源技術(shù)，特別是一種帶遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng) 電源。
【背景技術(shù)】
[0002] 壓電陶瓷利用逆壓電效應(yīng)原理工作，具有納米級(jí)分辨率、響應(yīng)速度快、噪聲小、發(fā) 熱少、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在微電子技術(shù)、微機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)精密工程、納米工程等領(lǐng)域具有廣泛 的應(yīng)用前景。
[0003] 在超精密定位中，需要達(dá)到微米級(jí)甚至納米級(jí)定位精度，但由于壓電驅(qū)動(dòng)器本身 存在遲滯現(xiàn)象，使得輸入電壓與輸出位移存在非線性關(guān)系，大大影響了定位和控制精度。目 前的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源直接對(duì)輸入電壓進(jìn)行線性放大，無(wú)法解決壓電陶瓷的遲滯現(xiàn)象對(duì)控 制精度的影響。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案為:一種具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，包 括直流穩(wěn)壓模塊、遲滯補(bǔ)償模塊、功率放大模塊和位移檢測(cè)模塊，所述遲滯補(bǔ)償模塊的輸入 端接輸入電壓，輸出端與功率放大模塊的輸入端連接，所述功率放大模塊的輸出端與壓電 陶瓷的輸入端連接，所述壓電陶瓷的輸出端與位移檢測(cè)模塊的輸入端連接，位移檢測(cè)模塊 的輸出端與遲滯補(bǔ)償模塊連接；
[0006] 所述直流穩(wěn)壓模塊分別為功率放大模塊和遲滯補(bǔ)償模塊提供直流電壓；
[0007] 所述遲滯補(bǔ)償模塊用于補(bǔ)償壓電陶瓷的遲滯非線性，遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端和輸 出端之間設(shè)置有切換開關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮问褂没蚋鼡Q不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)切換開關(guān)閉合，遲 滯補(bǔ)償模塊被短路；
[000引所述功率放大模塊對(duì)遲滯補(bǔ)償模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大；
[0009] 所述位移檢測(cè)模塊僅在第一次測(cè)量或更換不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)啟用，用于測(cè)量 響應(yīng)位移并保存到遲滯補(bǔ)償模塊。
[0010] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：（1)本發(fā)明引入了遲滯補(bǔ)償模塊，同W往 的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源相比，驅(qū)動(dòng)電源具有補(bǔ)償壓電驅(qū)動(dòng)器遲滯非線性的功能，使得輸入電 壓與輸出位移線性化，能大大減小遲滯現(xiàn)象對(duì)控制精度的影響；（2)本發(fā)明可W對(duì)現(xiàn)有壓電 陶瓷驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行改進(jìn)，無(wú)需重新設(shè)計(jì)，僅需要增加遲滯補(bǔ)償模塊；（3)針對(duì)不同型號(hào)的壓 電陶瓷片，只需要在第一次使用時(shí)，接入位移檢測(cè)模塊；（4)本發(fā)明將直流穩(wěn)壓模塊、功率放 大模塊、遲滯補(bǔ)償模塊和位移檢測(cè)模塊進(jìn)行封裝，作為一個(gè)整體直接對(duì)壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū) 動(dòng)，能有效降低環(huán)境因素的影響。
【附圖說(shuō)明】
[0011] 圖1為本發(fā)明測(cè)量遲滯曲線的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)圖。
[0012] 圖2為本發(fā)明具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明遲滯補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)流程圖。
[0014] 圖4(a)為期望位移與輸出電壓的遲滯圖，圖4(b)為輸入電壓與響應(yīng)位移的遲滯 圖，圖4(c)為補(bǔ)償后的遲滯圖，圖4(d)為逆模型開環(huán)補(bǔ)償原理圖。
[001引圖5(a)為基于Preisach逆模型的開環(huán)控制前的遲滯曲線圖，圖5(b)為基于 Pr e i sach逆模型的開環(huán)控制后的遲滯曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖1-5對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0017] 結(jié)合圖1、圖2,本發(fā)明的一種具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，包括直流穩(wěn) 壓模塊、遲滯補(bǔ)償模塊、功率放大模塊和位移檢測(cè)模塊，所述遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端接輸入 電壓，輸出端與功率放大模塊的輸入端連接，所述功率放大模塊的輸出端與壓電陶瓷的輸 入端連接，所述壓電陶瓷的輸出端與位移檢測(cè)模塊的輸入端連接，位移檢測(cè)模塊的輸出端 與遲滯補(bǔ)償模塊連接；
[0018] 所述直流穩(wěn)壓模塊分別為功率放大模塊和遲滯補(bǔ)償模塊提供直流電壓；
[0019] 所述遲滯補(bǔ)償模塊用于補(bǔ)償壓電陶瓷的遲滯非線性，遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端和輸 出端之間設(shè)置有切換開關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮问褂没蚋鼡Q不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)切換開關(guān)閉合，遲 滯補(bǔ)償模塊被短路；
[0020] 所述功率放大模塊對(duì)遲滯補(bǔ)償模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大；
[0021] 所述位移檢測(cè)模塊僅在第一次測(cè)量或更換不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)啟用，用于測(cè)量 響應(yīng)位移并保存到遲滯補(bǔ)償模塊。
[0022] 位移檢測(cè)模塊包括位移傳感器，位移傳感器用于測(cè)量壓電陶瓷的位移，并將采集 的位移信號(hào)輸出到遲滯補(bǔ)償模塊。
[0023] 所述遲滯補(bǔ)償模塊根據(jù)采集到的壓電陶瓷的位移和輸入電壓建立遲滯數(shù)學(xué)模型， 求取模型參數(shù)，根據(jù)模型參數(shù)獲取遲滯逆模型，即期望位移與輸入電壓的關(guān)系。
[0024] 本發(fā)明具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的遲滯補(bǔ)償方法包括W下步驟：
[0025] 步驟1、閉合切換開關(guān)，接入位移檢測(cè)模塊，采集壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的位移，根據(jù)對(duì)應(yīng) 的輸入電壓得到電壓-位移曲線，并存儲(chǔ)到遲滯補(bǔ)償模塊；
[0026] 步驟2、建立遲滯數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電壓-位移曲線確定模型參數(shù)；
[0027] 步驟3、獲取遲滯逆模型；
[0028] 步驟4、將位移檢測(cè)模塊移除且斷開切換開關(guān)，輸入期望位移經(jīng)過(guò)逆模型開環(huán)補(bǔ)償 得到補(bǔ)償后的輸出電壓，作用于壓電陶瓷產(chǎn)生響應(yīng)位移。
[0029] 下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030] 實(shí)施例
[0031] 如圖1所示，具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源包含直流穩(wěn)壓模塊、遲滯補(bǔ)償 模塊、功率放大模塊和位移檢測(cè)模塊;遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端和輸出端之間設(shè)置有切換開 關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮问褂没蚋鼡Q不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)切換開關(guān)閉合，遲滯補(bǔ)償模塊被短路.
[0032] 位移檢測(cè)模塊在第一次啟動(dòng)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源或更換不同型號(hào)的壓電陶瓷片時(shí) 接入，此時(shí)切換開關(guān)s閉合，將檢測(cè)到的輸入電壓與對(duì)應(yīng)響應(yīng)位移輸出并存儲(chǔ)到遲滯補(bǔ)償模 塊中。
[0033] 如圖2所示，當(dāng)切換開關(guān)S斷開，位移檢測(cè)模塊不接入時(shí)，直流穩(wěn)壓模塊分別為遲滯 補(bǔ)償模塊和功率放大模塊供電，期望位移經(jīng)過(guò)遲滯補(bǔ)償模塊和功率放大模塊補(bǔ)償后獲得輸 出電壓，用來(lái)驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。
[0034] 圖3是驅(qū)動(dòng)陶瓷驅(qū)動(dòng)電源遲滯補(bǔ)償功能實(shí)現(xiàn)流程圖，具體包括：
[0035] 第一步，測(cè)量如圖1所示不具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源的輸入電壓與 輸出位移的遲滯曲線，此時(shí)開關(guān)S閉合，位移檢測(cè)模塊接入，遲滯補(bǔ)償模塊不接入系統(tǒng)，通過(guò) 位移傳感器采集壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器的位移，并將采集的位移信號(hào)和對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)存儲(chǔ)到遲 滯板塊中；
[0036] 第二步，建立遲滯數(shù)學(xué)模型，常用的壓電陶瓷遲滯模型有Preisach模型、？^11化1- Ishlinskii模型、Bouc-Wen模型和Maxwell模型，本實(shí)施例中選用Preisach模型，該模型的 數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
[0037]
(1)
[0038] 式（1)中，f(t)為位移輸出，ιι(α，β)為遲滯算子的權(quán)值函數(shù)，yA為遲滯算子，即繼 電器算子，日與β為輸入閥值;建立Preisach模型的關(guān)鍵在于權(quán)值函數(shù)的求取，即ιι(α，β)的求 ??；
[0039] 采用變幅值輸入與奇異值分解方法辨識(shí)模型參數(shù)，該方法通過(guò)將Preisach平面離 散，設(shè)單元具有均勻密度UU，將二重積分轉(zhuǎn)化為求和：
[0040] (2)
[0041] 式(2)中，η為離散水平；SU為單元格（i，j)的面積，該面積已知，丫 U為單元格（i, j)繼電器輸出，vu = uusu，故只要辨出VU就能求出模型權(quán)值函數(shù)Uij;
[0042] 對(duì)式(2)在時(shí)間內(nèi)采樣，為輸入電壓的一個(gè)周期，獲得N個(gè)遲滯采 樣方程，構(gòu)成線性矩陣：
[0043] Ax = b(3)
[0044] 式中：AT=[八了1 八了2 . . . Α,Ν]，Ai= [丫 11 丫 21 丫 22 . . . 丫 ij . . . 丫 nn]
[0045] X=[V11 V21 V22 …Vij …Vnn]，b=[f(l) f(2)…f(n)]T
[0046] 采用具有變幅值的輸入信號(hào)構(gòu)造式(3)，生成更多的遲滯回路，產(chǎn)生更多的線性獨(dú) 立方程，提高矩陣A的秩，從而提高參數(shù)辨識(shí)精度。對(duì)矩陣ATa進(jìn)行奇異值分解，從而得出離 散化Pr e i sach模型的權(quán)值函數(shù)。
[0047] 采用估計(jì)法求取Preisach逆模型：基于建立的Preisach模型，在t時(shí)刻給模型一個(gè) 輸入u(t)，得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出f(t)，在t-1時(shí)刻歷史輸入和輸出值分別為u(t-l)和f(t- 1)，用模型的輸出值與期望輸出值對(duì)比，通過(guò)調(diào)整輸入值，使得估計(jì)的輸出值與期望輸出值 最相近。此時(shí)Preisach模型的輸入值即可作為逆模型的輸出值。
[004引第Ξ步，斷開開關(guān)S，將遲滯補(bǔ)償模塊串聯(lián)接入系統(tǒng)，位移檢測(cè)模塊移除。輸入期望 位移經(jīng)過(guò)逆模型開環(huán)補(bǔ)償?shù)玫窖a(bǔ)償后的輸出電壓，作用于壓電驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生響應(yīng)位移。
[0049] 圖4(a)描述的是逆模型的遲滯，即根據(jù)期望位移計(jì)算輸出電壓；圖4(b)描述的是 壓電陶瓷的遲滯，即輸入電壓與響應(yīng)位移的關(guān)系;理論上如果逆模型的精度足夠高，能與壓 電陶瓷的遲滯相互抵消，構(gòu)成一個(gè)近似線性系統(tǒng)，使期望位移與響應(yīng)位移呈現(xiàn)線性關(guān)系，如 圖4(c)所示；圖4(d)描述的是基于逆模型的開環(huán)控制原理圖：期望位移作為系統(tǒng)的輸入，遲 滯逆模型的輸出作為壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)電壓，得到響應(yīng)位移。
[0050] 圖5(a)和圖5(b)分別為采用基于Preisach逆模型開環(huán)控制前后效果圖。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 證，壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源中遲滯補(bǔ)償模塊的引入，大大提高了壓電驅(qū)動(dòng)器的定位精度。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于，包括直流穩(wěn)壓模塊、遲滯 補(bǔ)償模塊、功率放大模塊和位移檢測(cè)模塊，所述遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端接輸入電壓，輸出端 與功率放大模塊的輸入端連接，所述功率放大模塊的輸出端與壓電陶瓷的輸入端連接，所 述壓電陶瓷的輸出端與位移檢測(cè)模塊的輸入端連接，位移檢測(cè)模塊的輸出端與遲滯補(bǔ)償模 塊連接； 所述直流穩(wěn)壓模塊用于為功率放大模塊和遲滯補(bǔ)償模塊提供直流電壓； 所述遲滯補(bǔ)償模塊用于補(bǔ)償壓電陶瓷的遲滯非線性，遲滯補(bǔ)償模塊的輸入端和輸出端 之間設(shè)置有切換開關(guān)，當(dāng)?shù)谝淮问褂没蚋鼡Q不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)切換開關(guān)閉合，遲滯補(bǔ) 償模塊被短路； 所述功率放大模塊對(duì)遲滯補(bǔ)償模塊的輸出信號(hào)進(jìn)行電壓和功率放大； 所述位移檢測(cè)模塊僅在第一次測(cè)量或更換不同型號(hào)壓電陶瓷片時(shí)啟用，用于測(cè)量響應(yīng) 位移并保存到遲滯補(bǔ)償模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有遲滯補(bǔ)償功能的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源，其特征在于:位移檢 測(cè)模塊包括位移傳感器，位移傳感器用于測(cè)量壓電陶瓷的位移，并將采集的位移信號(hào)輸出 到遲滯補(bǔ)償模塊。
【文檔編號(hào)】H02N2/06GK106059385SQ201610575422
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年7月20日
【發(fā)明人】陳遠(yuǎn)晟, 許友偉, 應(yīng)展烽, 羅富, 郭家豪, 羅丹, 陳朝霞
【申請(qǐng)人】南京理工大學(xué)